EP3710153B1 - Verfahren und vorrichtung zur plasmainduzierten wasserspaltung - Google Patents

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EP3710153B1
EP3710153B1 EP18803961.4A EP18803961A EP3710153B1 EP 3710153 B1 EP3710153 B1 EP 3710153B1 EP 18803961 A EP18803961 A EP 18803961A EP 3710153 B1 EP3710153 B1 EP 3710153B1
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EP
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plasma
reaction chamber
plasma electrode
hydrogen
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Sascha Knist
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Graforce GmbH
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    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for plasma-induced water splitting.
  • Hydrogen is becoming increasingly important as an energy carrier, especially in connection with the intended transition to the use of renewable energy sources.
  • storage-capable hydrogen can be generated via downstream processes, which at least partially compensates for the fluctuating energy generation due to fluctuations in wind strength and electricity demand.
  • the energetic efficiency of the overall process which ultimately determines its practical suitability, is of decisive importance.
  • One advantage of using hydrogen as an energy carrier is that it does not produce any compounds that are harmful to the climate when it is burned.
  • the invention is based on the knowledge that the formation of a plasma between the plasma electrode and the water reservoir prevents direct contact between the electrode and water and thus contamination and electrode corrosion can.
  • the invention uses what is known as plasma electrolysis, that is to say a non-thermal plasma that initiates electron impact-induced processes. This enables dissociative electron attachments and dissociative excitations of the water.
  • the water dissociation does not take place on two electrodes and / or a membrane surface, as in the other methods, but in a plasma-chemical gas and water volume process, which results in significantly higher efficiencies than with conventional methods for hydrogen production.
  • the invention further includes the knowledge that by using high-frequency alternating voltage with only one plasma electrode, plasmas can be ignited at atmospheric pressure and, in particular, flat plasmas can be operated at atmospheric pressure, which is not possible with direct voltage. Operation at atmospheric pressure significantly reduces the costs for systems and operation.
  • the plasma forms between the surface of the water in the reservoir and the plasma electrode.
  • exactly one flat plasma electrode is understood to mean, in addition to the preferred variant of a one-piece plasma electrode, a plasma electrode arrangement composed of several individual electrodes arranged next to one another at a predetermined distance above the water reservoir, which form exactly one plasma electrode.
  • a high-frequency generator with a predetermined output impedance is advantageously used, which is connected to the plasma electrode via a matching network for impedance matching of an impedance of the plasma and the output impedance of the high-frequency generator.
  • a plasma has a complex impedance that is dependent on numerous external parameters (for example on the plasma-chemical process taking place), is time-variable and therefore, as a rule, different from the output impedance of the generator.
  • the impedance of the plasma is particularly dependent on the distance between the plasma electrode and the water surface, water composition, temperature in the reaction space and the atmosphere in the reaction space.
  • a so-called matching network (also known as matching network or matchbox) is therefore advantageously used as a link between the high-frequency generator and gas discharge, which brings the ohmic and capacitive components of the plasma into agreement with the impedance specified by the generator, i.e. the variable load of the plasma on the internal resistance of the generator adjusts and thus minimizes a reflection of energy from the system.
  • a high-frequency generator whose output impedance is 50 ohms is preferably used. Laboratory tests have shown that with this output impedance a plasma is formed particularly reliably with a good yield of hydrogen and oxygen at the same time.
  • the high-frequency alternating voltage preferably has a frequency in the range from 1 to 40 MHz, in particular in the range from 10 to 20 MHz, and / or the plasma electrode is supplied with a power in the range from 100 W to 2 kW, preferably in the range from 1 to 2 kW applied. In these areas, the process delivers a high yield of hydrogen with optimized energy input.
  • water is continuously supplied to the water reservoir by introducing steam or atomized water, in other words water mist, into the reaction space.
  • This type of feed can be used on the one hand to replenish water consumed in the dissociation reaction, thus keeping the distance between the water surface and the plasma electrode almost constant, on the other hand, the presence of additional water vapor or water mist further promotes the dissociation reaction in the plasma and the efficiency of the process elevated.
  • water can be supplied in this way without causing macroscopic movements such as turbulence in the water reservoir.
  • the water reservoir thus contains still water, which is advantageous for the formation and maintenance of the plasma.
  • the plasma electrode is coated with a dielectric and the plasma is designed as a barrier discharge.
  • Dielectric barrier discharges occur when two electrodes, in this case the plasma electrode and the water, which itself has a certain impedance, but does not have an electrode or a grounding through at least one insulator , for example a dielectric separates from each other.
  • DBDS Dielectric barrier discharges
  • the method according to the invention works with alternating voltages with a power in the range from 100 W to 2 kW, preferably in the range from 1 to 2 kW in the range from 1 to 40 MHz, in particular in the range from 10 to 20 MHz.
  • the barrier discharge usually consists of short-lived filamentary micro-discharges with a low discharge current. It limits the electrical charge transported by the discharge, ie it limits the flow of current in the system and distributes the discharge over the electrode surface.
  • the hydrogen yield can be positively influenced by maximizing the area of micro-discharges at a certain frequency, temperature and impedance.
  • the dielectric on the plasma electrode prevents the charge carriers from recombining with the electrode and increases the dissociation efficiency.
  • the plasma electrode In order to achieve the largest possible amounts of hydrogen, it is therefore advantageous for the plasma electrode to measure between 15 cm 2 and 450 cm 2 .
  • air, Ar, He or Ne is used as the atmosphere in the reaction space as part of a starting process, that is to say when igniting the plasma.
  • CO 2 or N 2 is advantageously used as the atmosphere in the reaction space during the dissociation reaction.
  • This atmosphere enables the synthesis of other compounds that can subsequently be used as energy carriers or raw materials, such as methane, CH 4 .
  • methane CH 4 .
  • the introduction of carbon dioxide into the reaction space makes it available as a reaction partner and, in addition to hydrogen and oxygen, as dissociation products, methane is also formed.
  • the water in the water reservoir preferably has a temperature in the range from 3 to 99 ° C., in this temperature range the water is liquid.
  • a range from 10 to 90 ° C. is further preferred, in which the efficiencies are particularly high.
  • the separation can take place via a membrane, for example a polymer membrane, or a selective adsorption process.
  • the gases can be collected and stored separately.
  • the hydrogen-oxygen mixture is passed over a reservoir in which there is at least one adsorber, to which the oxygen is preferably bound by adsorption.
  • the hydrogen is thus initially released on its own.
  • the adsorbed oxygen can then be released from the adsorber in a further step, for example via pressurization or thermal release.
  • Ceramic materials with a large surface area and high adsorption capacity for oxygen are preferably used as adsorbers.
  • molecular sieves i.e. crystalline aluminosilicates
  • these can also be carbon molecular sieves.
  • Silica gel or activated aluminum oxide can preferably be used.
  • the invention relates to a device for the plasma-induced splitting of water
  • a so-called matching network (also known as a matching network or matchbox) is advantageously used as a link between the high-frequency generator and the plasma, which brings the ohmic and capacitive components of the plasma into agreement with an output impedance specified by the generator.
  • the impedance of the plasma is particularly dependent on the distance between the plasma electrode and the water surface, the water composition, the nature of a housing around the reaction space, the temperature in the reaction space and the atmosphere in the reaction space.
  • the device also shares the advantages of the method according to the first aspect of the invention.
  • the output impedance of the high-frequency generator is preferably 50 ohms and / or an output power of the high-frequency generator between 100 W and 2 kW. It has It has been shown that, particularly with this output impedance, a plasma is formed particularly reliably with a good yield of hydrogen and oxygen at the same time.
  • the adaptation network advantageously comprises at least one motor-controlled capacitor and at least one variable coil. Together, these form an electrical resonant circuit, via which the impedance matching can react continuously to fluctuating loads from the plasma.
  • the coordination of the capacitors and coils takes place automatically using a reflection and standing wave control loop method.
  • the reaction space preferably has a feed for water vapor and / or atomized water for continuous water feed into the water reservoir.
  • water consumed in the dissociation reaction can be replenished and the distance between the water surface and plasma electrode can be kept almost constant without the plasma electrode being adjusted, and on the other hand, the dissociation reaction in the plasma is further promoted and the efficiency is further promoted through the presence of additional water vapor or water mist of the procedure increased.
  • the predetermined distance between the plasma electrode and the filling level of the water reservoir is preferably in a range from 0.2 to 2 cm, preferably in the range from 0.2 to 1 cm.
  • the device preferably has at least one feed for at least one gas into the reaction space, in particular for air, Ar, He, Ne, N 2 and / or CO 2 .
  • a membrane for separating hydrogen and oxygen is arranged in the common exhaust line or at one end of the common exhaust line.
  • the common exhaust line is also designed to also carry methane together with hydrogen and oxygen.
  • At least one further membrane for separating methane and oxygen is then preferably arranged in the common exhaust line or at one end of the common exhaust line.
  • the membrane for separating hydrogen and oxygen is preferably a polymer membrane.
  • a reservoir is arranged in the common exhaust line or at one end of the common exhaust line, in which there is at least one adsorber, for example in the form of a bed or an open-pored foam.
  • the adsorber is advantageously designed in such a way that oxygen is preferably bound to it via adsorption. The hydrogen is thus initially released on its own.
  • a device for dissolving the adsorbed oxygen is provided on the reservoir.
  • This can be designed, for example, in the form of a heater to thermally dissolve the oxygen or in the form of a vacuum pump to apply negative pressure.
  • the reservoir can also have a closable opening through which the loaded absorber can be exchanged for an unloaded one after adsorption.
  • Ceramic materials with a large surface area and high adsorption capacity for oxygen are preferably used as adsorbers.
  • zeolites i.e. crystalline aluminosilicates
  • these can also be carbon molecular sieves.
  • Silica gel or activated aluminum oxide can preferably be used.
  • the plasma electrode has a metal, in particular aluminum; this is preferred because of its good conductivity at relatively low costs.
  • the plasma electrode is advantageously coated with a dielectric, in particular with aluminum oxide. This allows the plasma to form via a barrier discharge.
  • the dielectric preferably has a layer thickness of 200 to 1000 ⁇ m.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a device 100 for plasma-induced splitting of water comprising in a reaction space 110 an ungrounded water reservoir 130 open to the top and exactly one flat, cooled plasma electrode 120, which is at a predetermined distance, in the embodiment shown 1 cm, above a fill level 131 des Water reservoir 130 is arranged.
  • a common exhaust gas line 160 for hydrogen and oxygen is arranged at the reaction chamber 110.
  • a high-frequency generator 150 is arranged outside the reaction space 110 and is connected to the plasma electrode 120 via a matching network 140 for impedance matching of an impedance of a plasma 180 arising at the plasma electrode 120 and an output impedance of the high-frequency generator.
  • the adaptation network 140 comprises a motor-controlled capacitor and a variable coil as an electrical oscillating circuit.
  • the adaptation network is designed to adapt the impedance of the plasma, which in the process depends on, in particular, a distance between the plasma electrode 120 and the water surface, a water composition, a temperature in the reaction chamber and an atmosphere in the reaction chamber, and the output impedance of the high-frequency generator 150.
  • the output impedance of the high-frequency generator 150 is advantageously 50 ohms.
  • atmospheric pressure prevails in the reaction chamber.
  • the formation of a flat plasma between the plasma electrode 120 and the surface of the water in the water reservoir 130 under atmospheric pressure is possible here because only exactly one electrode, namely the plasma electrode 120, is used and the water itself is used as a counterpart.
  • a high-frequency alternating voltage is applied to the plasma electrode 120, which the high-frequency generator 150 provides.
  • this high-frequency alternating voltage has a frequency in the range from 10 to 20 MHz.
  • a power of 1 to 2 kW is applied to the plasma electrode.
  • the water dissociation takes place in a plasma-chemical gas and water volume process, which results in significantly higher efficiencies than with conventional processes for hydrogen production.
  • the discharges in this gas and water volume as well as on the water surface lead to the generation of free electrons in an energy range that is favorable for the dissociation of water.
  • Collisions with the water and gas molecules lead to the formation of numerous excited molecular and atomic species.
  • Dissociation into hydrogen and oxygen takes place via a two-step reaction and an extreme charge shift between the electrode and the water. With its excess of electrons, the plasma acts as a "reducing agent" on the water.
  • the plasma electrode 120 has a metallic base body, here made of aluminum, which is coated with a dielectric, here aluminum oxide.
  • the planar plasma 180 is therefore formed via a barrier discharge.
  • a membrane 170 for separating the two gases is arranged in the common exhaust line 160 for hydrogen and oxygen. These can then be collected and stored separately from one another.
  • a feed 115 for steam and / or atomized water for continuous water feed into the water reservoir there is also a feed 115 for steam and / or atomized water for continuous water feed into the water reservoir.
  • water vapor or atomized water i.e. water mist
  • the reaction chamber 110 can be fed into the reaction chamber 110, over this on the one hand the water reservoir 130 is filled in order to reach the filling level 131 as constantly as possible and on the other hand the water feed via steam or mist promotes the dissociation reaction in the plasma and thus the efficiency of the process.
  • a feed 111 for at least one gas into the reaction space for this air, Ar, He and / or Ne, is arranged on the reaction space 110.
  • gases are used in particular as an atmosphere in the reaction space during a starting process, that is to say when the plasma 180 is ignited.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of a device 200 for plasma-induced splitting of water according to the second aspect of the invention.
  • the device 200 corresponds to a large extent to the device 100 from Fig. 1 , which is why only the differences are described below; otherwise, reference is made to the description Fig. 1 referenced.
  • the device 200 has a feed 211 for carbon dioxide CO 2 .
  • carbon dioxide By introducing carbon dioxide into the reaction space, it is made available as a reactant for hydrogen and, in addition to hydrogen and oxygen, methane is also produced as a synthesis product.
  • An additional membrane 171 is therefore arranged in the common exhaust gas line 160, which is also designed here to carry methane in addition to hydrogen and oxygen, via which methane is separated from the gas mixture before the hydrogen and oxygen are separated.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur plasmainduzierten Wasserspaltung.
  • Wasserstoff gewinnt als Energieträger zunehmend an Bedeutung, insbesondere im Zusammenhang mit dem angestrebten Übergang zur Nutzung regenerativer Energiequellen. So kann beispielsweise bei Windenergieanlagen über nachgeschaltete Prozesse speicherfähiger Wasserstoff erzeugt werden, was die schwankende Energieerzeugung auf Grund von Fluktuationen der Windstärke und des Strombedarfs zumindest teilweise kompensiert. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die energetische Effizienz des Gesamtprozesses, welche letztlich über die Praxistauglichkeit entscheidet. Ein Vorteil einer Nutzung von Wasserstoff als Energieträger besteht darin, dass bei seiner Verbrennung keine klimaschädlichen Verbindungen entstehen.
  • Zur Gewinnung von Wasserstoff sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei der Wasserspaltung dient Wasser als Wasserstofflieferant. Neben unterschiedlichen Reforming-Prozessen ist vor allem die Bildung von Wasserstoff aus Wasser durch Elektrolyse, Thermolyse oder Photoelektrolyse von Bedeutung.
  • Mit Hilfe von elektrischem Strom werden in einem Elektrolyseur aus dem Wasser der Energieträger Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Bei verschiedenen chemischen Verfahren, bei denen die Elektrolyse für die Erzeugung anderer Verbindungen eingesetzt wird, kann Wasserstoff als Nebenprodukt anfallen.
    Bei thermochemischen Verfahren zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff sind sehr hohe Temperaturen notwendig, die zum Beispiel durch Konzentrierung der Sonnenstrahlung möglich sind. Auch biologische Verfahren sind in der Entwicklung, bei denen die während der Photosynthese stattfindende Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden kann. Direkte Verwendung finden die Photonen des Sonnenlichts bei der Photokatalytischen Wasserspaltung. Die Photonen erzeugen dabei Elektron-Loch-Paare, deren Energie direkt genutzt werden kann, um Wasser in seine Bestandteile zu zerlegen.
    Neben dem hohen Energieverbrauch und damit einhergehenden hohen Kosten sowie Effizienzbeschränkungen besteht besonders bei der Elektrolyse das Problem der Elektrodenkorrosion und dadurch bedingter Verunreinigungen des behandelten Wassers. Darüber hinaus benötigen die meisten Verfahren zur Wasserspaltung vorgereinigtes Wasser.
    Die Abhandlung "Characteristics of atmospheric pressure air discharges with a liquid cathode and a metal anode", P. Bruggeman et al., veröffentlicht am 17. April 2008, 2008 IOP Publishing Ltd, Plasma Sources Science and Technology, Vol. 17, Nummer 2, betrifft die elektrischen und optischen Emissionseigenschaften eines brennenden Plasmas zwischen einer flüssigen Kathode und einer Metallanode. Die Abhandlung "The effect of voltage waveform and tube diameter on transporting cold plasma strings through a flexible dielectric tube", F. Sohbatzadeh, A. V. Omran, veröffentlicht am 21. November 2014, 2014 AIP Publishing LLC, Physics of Plasmas, Vol. 21, 113510 (2014) betrifft den Transport von Atmosphärendruck-Kaltplasma unter Verwendung einer Einzelelektrodenkonfiguration durch ein sub-millimeter flexibles dielektrisches Rohr über 100 cm hinaus. US2009/109141 offenbart eine Vorrichtung zur Zersetzung von Wasser.
    Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur plasmainduzierten Spaltung von Wasser umfassend die Schritte:
    • Bereitstellen von Wasser mit einer vorbestimmten Füllhöhe in einem ungeerdeten Wasserreservoir innerhalb eines Reaktionsraumes;
    • Beaufschlagen genau einer in einem vorbestimmten Abstand über der Füllhöhe des Wasserreservoirs angeordneten flächig ausgebildeten, gekühlten Plasmaelektrode mit einer hochfrequenten Wechselspannung bei Atmosphärendruck, derart, dass sich im Hochfrequenzfeld zwischen der Plasmaelektrode und einer Oberfläche des Wassers ein Plasma ausbildet, in dem Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff dissoziiert;
    • Sammeln des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in einer gemeinsamen Abgasleitung des Reaktionsraumes.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass über die Ausbildung eines Plasmas zwischen Plasmaelektrode und Wasserreservoir der direkte Kontakt zwischen Elektrode und Wasser und damit Kontaminationen sowie Elektrodenkorrosion vermieden werden können. Die Erfindung nutzt eine sogenannte Plasma-Elektrolyse, also ein nicht-thermisches Plasma, das Elektronenstoß-induzierte Prozesse initiiert. Dies ermöglicht dissoziative Elektronenanlagerungen und dissoziative Anregungen des Wassers. Die Wasserdissoziation erfolgt gemäß der Erfindung nicht wie bei den anderen Verfahren an zwei Elektroden und/oder einer Membranfläche, sondern in einem plasmachemischen Gas- und Wasservolumenprozess, hierdurch ergeben sich wesentlich höhere Wirkungsgrade als bei herkömmlichen Verfahren zur Wasserstoffgewinnung. Die Entladungen in diesem Gas- und Wasservolumen sowie an der Wasseroberfläche führen zur Erzeugung von freien Elektronen in einem für die Dissoziation von Wasser günstigen Energiebereich (bis zu 20eV). Durch Stöße mit den Wasser- und Gasmolekülen kommt es zur Bildung zahlreicher angeregter Moleküle- und Atomspezies. Über eine Zweistoßreaktion und eine extreme Ladungsverschiebung zwischen Elektrode und dem Wasser erfolgt die Dissoziation in Wasserstoff und Sauerstoff.
  • Die Erfindung schließt weiter die Erkenntnis ein, dass über die Verwendung hochfrequenter Wechselspannung mit nur einer Plasmaelektrode, Plasmen bei Atmosphärendruck gezündet und insbesondere flächige Plasmen bei Atmosphärendruck betrieben werden können, was mit Gleichspannung nicht möglich ist. Ein Betrieb bei Atmosphärendruck senkt die Kosten für Anlagen und Betrieb deutlich. Das Plasma bildet sich zwischen der Wasseroberfläche des Wassers im Reservoir und der Plasmaelektrode flächig aus.
  • Unter genau einer flächig ausgebildeten Plasmaelektrode wird im Rahmen dieser Anmeldung neben der bevorzugten Variante einer einstückig ausgebildeten Plasmaelektrode auch eine Plasmaelektrodenanordnung aus mehreren nebeneinander angeordneten Einzelelektroden im vorbestimmten Abstand über dem Wasserreservoir verstanden, die die genau eine Plasmaelektrode bilden.
  • Bei aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der DE 10 2011 081 915 A1 , bekannten Verfahren der Plasmaelektrolyse, die zwei Elektroden nutzen, bilden sich bei Atmosphärendruck hingegen nur punktuelle Entladungen zwischen den Elektroden. Ein weiterer Vorteil der im Rahmen der Erfindung entstehenden Hochfrequenz-Entladungen gegenüber mit Gleichspannung betriebenen Entladungsformen besteht darin, dass die Elektroden aufgrund der in Hochfrequenz-Plasmen auftretenden Verschiebungsströme keinen direkten Kontakt zum Plasma aufweisen müssen. So wird der Eintrag von Verunreinigungen durch das Elektrodenmaterial in das Plasma unterbunden und gleichzeitig eine längere Lebensdauer der Elektrodensysteme selbst sichergestellt. Die Erfindung erlaubt darüber hinaus auch die Verwendung verschiedenster Wasserarten wie Brauch-, Leitungs- oder Meerwasser oder demineralisiertes Wasser, die Verwendung von vorgereinigtem Wasser ist nicht notwendig, so dass teure Vorreinigungsprozesse ebenfalls entfallen.
  • Es hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass bedingt durch den Dissoziationsprozess im Plasma Wasserstoff und Sauerstoff nicht örtlich getrennt auftreten, sondern sich als Gas mit im Plasma entstehenden Wasserdampf und Wassernebel zu einem Gasgemisch vermischen. Der Plasmaprozess führt zur Inertisierung des Wasserstoff-/Sauerstoff-Gasgemischs, d.h. das Gemisch ist schwer entzündbar. Im Reaktionsraum kommt es bei der Dissoziation nicht zur Rekombination der beiden Gase. Damit können Wasserstoff und Sauerstoff über eine gemeinsame Abgasleitung geführt und durch Membranen separiert werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher effizient größere Mengen an Wasserstoff bei geringeren Kosten erzeugt werden.
  • Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können zur Bildung weiterer Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, es sei denn, sie sind in der Beschreibung ausdrücklich als Alternativen zueinander beschrieben.
  • Vorteilhaft wird zum Beaufschlagen der Plasmaelektrode mit der hochfrequenten Wechselspannung ein Hochfrequenzgenerator mit vorbestimmter Ausgangsimpedanz eingesetzt, der mit der Plasmaelektrode über ein Anpassungsnetzwerk zur Impedanzanpassung einer Impedanz des Plasmas und der Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators verbunden ist. Ein Plasma besitzt eine von zahlreichen äußeren Parametern (z.B. vom ablaufenden plasmachemischen Prozess) abhängige, zeitlich variable und daher von der Ausgangsimpedanz des Generators in der Regel verschiedene komplexe Impedanz. Die Impedanz des Plasmas ist insbesondere abhängig vom Abstand der Plasmaelektrode zur Wasseroberfläche, Wasserzusammensetzung, Temperatur im Reaktionsraum sowie der Atmosphäre im Reaktionsraum. Vorteilhaft wird daher ein sogenanntes Anpassungsnetzwerk (auch Matching Network oder Matchbox) als Bindeglied zwischen Hochfrequenzgenerator und Gasentladung eingesetzt, das die ohmschen und kapazitiven Anteile des Plasmas mit der vom Generator vorgegebenen Impedanz in Übereinstimmung bringt, also die veränderliche Last des Plasmas an den Innenwiderstand des Generators anpasst und somit eine Reflexion von Energie aus dem System minimiert.
  • Bevorzugt wird ein Hochfrequenzgenerator eingesetzt, dessen Ausgangsimpedanz 50 Ohm beträgt. Es hat sich bei Laborversuchen gezeigt, dass bei dieser Ausgangsimpedanz besonders zuverlässig ein Plasma bei gleichzeitig guter Ausbeute an Wasserstoff und Sauerstoff ausgebildet wird.
  • Bevorzugt weist die hochfrequente Wechselspannung eine Frequenz im Bereich von 1 bis 40 MHz, insbesondere im Bereich von 10 bis 20 MHz, auf und/oder die Plasmaelektrode wird mit einer Leistung im Bereich von 100 W bis 2 kW, bevorzugt im Bereich von 1 bis 2 kW beaufschlagt. In diesen Bereichen liefert das Verfahren hohe Ausbeute an Wasserstoff bei optimiertem Energieeintrag.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird dem Wasserreservoir kontinuierlich Wasser über eine Einleitung von Wasserdampf oder verdüstem Wasser, anders ausgedrückt Wassernebel, in den Reaktionsraum zugeführt. Über diese Art der Zuführung kann zum einen bei der Dissoziationsreaktion verbrauchtes Wasser nachgeführt werden und so der Abstand zwischen Wasseroberfläche und Plasmaelektrode annähernd konstant gehalten werden, zum anderen wird über die Anwesenheit von zusätzlichem Wasserdampf oder Wassernebel die Dissoziationsreaktion im Plasma weiter gefördert und der Wirkungsgrad des Verfahrens erhöht. Darüber hinaus kann so Wasser zugeführt werden ohne makroskopische Bewegungen wie Verwirbelungen im Wasserreservoir hervorzubringen. Das Wasserreservoir beinhaltet also ruhendes Wasser, was für die Ausbildung und Aufrechterhaltung des Plasmas vorteilhaft ist.
  • In einer vorteilhaften Ausführung ist die Plasmaelektrode mit einem Dielektrikum beschichtet und das Plasma wird als Barrierenentladung ausgebildet. Dielektrisch behinderte Entladungen, auch Barrierenentladungen (dielectric barrier discharges, DBDS) genannt, entstehen, wenn zwei Elektroden, im vorliegenden Fall die Plasmaelektrode und das Wasser, das selbst eine bestimmte Impedanz aufweist, aber nicht über eine Elektrode oder eine Erdung verfügt durch mindestens einen Isolator, beispielsweise ein Dielektrikum voneinander trennt. Vorteilhaft ist es bei Einsatz eines solchen Isolators weiterhin, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit Wechselspannungen mit einer Leistung im Bereich von 100 W bis 2 kW, bevorzugt im Bereich von 1 bis 2 kW im Bereich von 1 bis 40 MHz, insbesondere im Bereich von 10 bis 20 MHz, durchgeführt wird. Die Barrierenentladung besteht in der Regel aus kurzlebigen filamentären Mikroentladungen bei geringem Entladungsstrom. Sie begrenzt die durch die Entladung transportierte elektrische Aufladung, d.h. sie begrenzt den Stromfluss im System und verteilt die Entladung über die Elektrodenfläche. Die Wasserstoffausbeute kann über eine Maximierung der Fläche an Mikroentladungen bei bestimmter Frequenz, Temperatur und Impedanz positiv beeinflusst werden. Durch das Dielektrikum auf der Plasmaelektrode wird das Rekombinieren der Ladungsträger mit der Elektrode verhindert und die Dissoziationseffizienz erhöht.
  • Vorteilhaft ist zur Erreichung möglichst großer Wasserstoffmengen daher ein Flächenmaß der Plasmaelektrode zwischen 15 cm2 und 450 cm2.
  • In einer Ausführungsform wird im Rahmen eines Startprozesses, also beim Zünden des Plasmas, als Atmosphäre im Reaktionsraum Luft, Ar, He oder Ne eingesetzt. Vorteilhaft wird als Atmosphäre im Reaktionsraum während der Dissoziationsreaktion CO2 oder N2 eingesetzt. Diese Atmosphäre ermöglichen die Synthetisierung weiterer Verbindungen, die als Energieträger oder Grundstoff nachfolgend genutzt werden können, wie Methan, CH4. Bei der plasmachemischen Synthetisierung wird über die Einleitung von Kohlenstoffdioxid in den Reaktionsraum dieses als Reaktionspartner zur Verfügung gestellt und es entsteht neben Wasserstoff und Sauerstoff als Dissoziationsprodukten auch Methan.
  • Bevorzugt weist das Wasser im Wasserreservoir eine Temperatur im Bereich von 3 bis 99°C auf, in diesem Temperaturbereich ist das Wasser flüssig. Weiter bevorzugt ist ein Bereich von 10 bis 90°C, in diesem sind die Wirkungsgrade besonders hoch.
  • Vorteilhaft umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt:
    • Trennen von Wasserstoff und Sauerstoff
  • Das Trennen kann über eine Membran, beispielsweise eine Polymermembran, oder ein selektives Adsorptionsverfahren erfolgen.
  • Über die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff können die Gase getrennt gesammelt und gespeichert werden.
  • Bei einem selektiven Adsorptionsverfahren wird das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch über ein Reservoir geleitet, in dem sich mindestens ein Adsorber befindet, an diesem wird bevorzugt der Sauerstoff über Adsorption gebunden. Der Wasserstoff wird somit zunächst alleine freigesetzt. Der adsorbierte Sauerstoff kann dann in einem weiteren Schritt vom Adsorber gelöst werden, beispielsweise über eine Druckbeaufschlagung oder ein thermisches Lösen.
  • Als Adsorber werden bevorzugt keramische Werkstoffe mit großer Oberfläche und hoher Adsorptionskapazität für Sauerstoff verwendet, insbesondere sogenannte Molekularsiebe. Neben Zeolithen, also kristallinen Alumosilikaten können dies auch Kohlenstoffmolekularsiebe sein. Bevorzugt können Kieselgel (Silica-Gel) oder aktiviertes Aluminiumoxid eingesetzt werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur plasmainduzierten Spaltung von Wasser umfassend
  • in einem Reaktionsraum
    • ein ungeerdetes nach oben offenes Wasserreservoir;
    • genau eine flächig ausgebildete, gekühlte Plasmaelektrode, die in einem vorbestimmten Abstand über einer Füllhöhe des Wasserreservoirs angeordnet ist, wobei am Reaktionsraum eine gemeinsame Abgasleitung für Wasserstoff und Sauerstoff angeordnet ist, und außerhalb des Reaktionsraumes
    • einen Hochfrequenzgenerator, der mit der Plasmaelektrode über ein Anpassungsnetzwerk zur Impedanzanpassung einer Impedanz eines an der Plasmaelektrode entstehenden Plasmas und einer Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators verbunden ist.
  • Vorteilhaft wird ein sogenanntes Anpassungsnetzwerk (auch Matching Network oder Matchbox) als Bindeglied zwischen Hochfrequenzgenerator und Plasma eingesetzt, das die ohmschen und kapazitiven Anteile des Plasmas mit einer vom Generator vorgegebenen Ausgangsimpedanz in Übereinstimmung bringt. Die Impedanz des Plasmas ist insbesondere abhängig vom Abstand der Plasmaelektrode zur Wasseroberfläche, Wasserzusammensetzung, der Beschaffenheit eines Gehäuses um den Reaktionsraum, Temperatur im Reaktionsraum sowie der Atmosphäre im Reaktionsraum.
  • Die Vorrichtung teilt im Übrigen die Vorteile des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
  • Bevorzugt beträgt die Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators 50 Ohm und/oder eine Ausgangsleistung des Hochfrequenzgenerators zwischen 100 W und 2 kW. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei dieser Ausgangsimpedanz besonders zuverlässig ein Plasma bei gleichzeitig guter Ausbeute an Wasserstoff und Sauerstoff ausgebildet wird.
  • Vorteilhaft umfasst das Anpassungsnetzwerk mindestens einen motorgesteuerten Kondensator und mindestens eine variable Spule. Diese bilden zusammen einen elektrischen Schwingkreis, über den die Impedanzanpassung kontinuierlich auch auf schwankende Lasten durch das Plasma reagieren kann. Die Abstimmung der Kondensatoren und Spulen erfolgt in einer weiteren Ausführungsform automatisch über eine Reflexion- und Stehwellenregelkreismethode.
  • Bevorzugt weist der Reaktionsraum eine Zuführung für Wasserdampf und/oder verdüstes Wasser zur kontinuierlichen Wasserzuführung in das Wasserreservoir aufweist. Hierüber kann zum einen bei der Dissoziationsreaktion verbrauchtes Wasser nachgeführt werden und so der Abstand zwischen Wasseroberfläche und Plasmaelektrode annähernd konstant gehalten werden, ohne eine Nachführung der Plasmaelektrode, zum anderen wird über die Anwesenheit von zusätzlichem Wasserdampf oder Wassernebel die Dissoziationsreaktion im Plasma weiter gefördert und der Wirkungsgrad des Verfahrens erhöht.
  • Bevorzugt liegt der vorbestimmte Abstand zwischen Plasmaelektrode und Füllhöhe des Wasserreservoirs in einem Bereich von 0,2 bis 2 cm, bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 1 cm.
  • Bevorzugt weist die Vorrichtung mindestens eine Zuführung für mindestens ein Gas in den Reaktionsraum, insbesondere für Luft, Ar, He, Ne, N2 und/oder CO2, auf.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist in der gemeinsamen Abgasleitung oder an einem Ende der gemeinsamen Abgasleitung eine Membran zur Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff angeordnet. In einer Weiterbildung ist die gemeinsame Abgasleitung weiterhin ausgebildet, auch Methan zusammen mit Wasserstoff und Sauerstoff zu führen. Bevorzugt ist dann in der gemeinsamen Abgasleitung oder an einem Ende der gemeinsamen Abgasleitung zusätzlich mindestens eine weitere Membran zur Abtrennung von Methan und Sauerstoff angeordnet.
  • Bevorzugt ist die Membran zu Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff eine Polymermembran.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist in der gemeinsamen Abgasleitung oder an einem Ende der gemeinsamen Abgasleitung ein Reservoir angeordnet, in dem sich mindestens ein Adsorber befindet, beispielsweise in Form einer Schüttung oder eines offenporigen Schaumes. Der Adsorber ist vorteilhaft derart ausgebildet, dass Sauerstoff an ihm bevorzugt über Adsorption gebunden wird. Der Wasserstoff wird somit zunächst alleine freigesetzt.
  • In einer Weiterbildung ist am Reservoir eine Vorrichtung zum Lösen des adsorbierten Sauerstoffs vorhanden. Diese kann beispielsweise in Form einer Heizung zum thermischen Lösen des Sauerstoffs oder in Form einer Vakuumpumpe zur Beaufschlagung mit Unterdruck ausgebildet sein. Das Reservoir kann aber auch eine verschließbare Öffnung aufweisen, über die der beladene Absorber nach der Adsorption gegen einen unbeladenen ausgetauscht werden kann.
  • Als Adsorber werden bevorzugt keramische Werkstoffe mit großer Oberfläche und hoher Adsorptionskapazität für Sauerstoff verwendet, insbesondere sogenannte Molekularsiebe. Neben Zeolithen, also kristallinen Alumosilikaten können dies auch Kohlenstoffmolekularsiebe sein. Bevorzugt können Kieselgel (Silica-Gel) oder aktiviertes Aluminiumoxid eingesetzt werden. In einer Ausführungsform weist die Plasmaelektrode ein Metall, insbesondere Aluminium, auf, dieses wird auf Grund der guten Leitfähigkeit bei relativ geringen Kosten bevorzugt. Vorteilhaft ist die Plasmaelektrode mit einem Dielektrikum, insbesondere mit Aluminiumoxid, beschichtet. Dies erlaubt die Ausbildung des Plasmas über eine Barrierenentladung. Bevorzugt weist das Dielektrikum eine Schichtdicke von 200 bis 1000 µm auf.
  • Ausführungsbeispiele sind auch den Ansprüchen zu entnehmen.
  • Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung und des Verfahrens anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur plasmainduzierten Spaltung von Wasser gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung;
    • Fig.2 Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur plasmainduzierten Spaltung von Wasser gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
  • Fig.1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zur plasmainduzierten Spaltung von Wasser umfassend in einem Reaktionsraum 110 ein ungeerdetes nach oben offenes Wasserreservoir 130 sowie genau eine flächig ausgebildete, gekühlte Plasmaelektrode 120, die in einem vorbestimmten Abstand, im gezeigten Ausführungsbeispiel 1 cm, über einer Füllhöhe 131 des Wasserreservoirs 130 angeordnet ist. Am Reaktionsraum 110 ist eine gemeinsame Abgasleitung 160 für Wasserstoff und Sauerstoff angeordnet. Außerhalb des Reaktionsraumes 110 ist ein Hochfrequenzgenerator 150 angeordnet, der mit der Plasmaelektrode 120 über ein Anpassungsnetzwerk 140 zur Impedanzanpassung einer Impedanz eines an der Plasmaelektrode 120 entstehenden Plasmas 180 und einer Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators verbunden ist. Das Anpassungsnetzwerk 140 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen motorgesteuerten Kondensator und eine variable Spule als elektrischen Schwingkreis. Das Anpassungsnetzwerk ist ausgebildet, die Impedanz des Plasmas, welche im Prozess über Ihre Abhängigkeit von insbesondere einem Abstand der Plasmaelektrode 120 zur Wasseroberfläche, einer Wasserzusammensetzung, einer Temperatur im Reaktionsraum sowie einer Atmosphäre im Reaktionsraum, und die Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators 150 anzupassen. Die Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators 150 beträgt vorteilhaft 50 Ohm. Im Reaktionsraum herrscht wie auch in der Umgebung Atmosphärendruck. Die Ausbildung eines flächigen Plasmas zwischen der Plasmaelektrode 120 und der Oberfläche des Wassers im Wasserreservoir 130 unter Atmosphärendruck ist hier möglich, weil nur genau eine Elektrode, nämlich die Plasmaelektrode 120 genutzt wird und als Gegenstück das Wasser selbst genutzt wird. Zur Erzeugung des Plasmas 180 wird die Plasmaelektrode 120 mit einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt, die der Hochfrequenzgenerator 150 bereitstellt. Diese hochfrequente Wechselspannung weist in der gezeigten Ausführungsform eine Frequenz im Bereich von 10 bis 20 MHz auf. Die Plasmaelektrode wird dabei mit einer Leistung von 1 bis 2 kW beaufschlagt. Die Wasserdissoziation erfolgt in einem plasmachemischen Gas- und Wasservolumenprozess, hierdurch ergeben sich wesentlich höhere Wirkungsgrade als bei herkömmlichen Verfahren zur Wasserstoffgewinnung. Die Entladungen in diesem Gas- und Wasservolumen sowie an der Wasseroberfläche führen zur Erzeugung von freien Elektronen in einem für die Dissoziation von Wasser günstigen Energiebereich. Durch Stöße mit den Wasser- und Gasmolekülen kommt es zur Bildung zahlreicher angeregter Moleküle- und Atomspezies. Über eine Zweistoßreaktion und eine extreme Ladungsverschiebung zwischen Elektrode und dem Wasser erfolgt die Dissoziation in Wasserstoff und Sauerstoff. Das Plasma wirkt mit seinem Elektronenüberschuss dabei als "Reduktionsmittel" auf das Wasser.
  • Die Plasmaelektrode 120 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen metallischen Grundkörper, hier aus Aluminium, auf, der mit einem Dielektrikum, hier Aluminiumoxid beschichtet ist. Das flächige Plasma 180 wird daher über eine Barrierenentladung ausgebildet.
  • In der gemeinsamen Abgasleitung 160 für Wasserstoff und Sauerstoff ist eine Membran 170 zur Trennung beider Gase angeordnet. Diese können dann im Anschluss getrennt voneinander gesammelt und gelagert werden.
  • Weiter ist in der gezeigten Ausführungsform eine Zuführung 115 für Wasserdampf und/oder verdüstes Wasser zur kontinuierlichen Wasserzuführung in das Wasserreservoir vorhanden. Über dieser Zuführung kann Wasserdampf oder verdüstes Wasser, also Wassernebel in den Reaktionsraum 110 geleitet werden, darüber wird zum einen das Wasserreservoir 130 aufgefüllt, um möglichst konstant die Füllhöhe 131 zu erreichen und zum anderen fördert die Wasserzuführung über Dampf oder Nebel die Dissoziationsreaktion im Plasma und damit den Wirkungsgrad des Verfahrens.
  • Zusätzlich ist am Reaktionsraum 110 eine Zuführung 111 für mindestens ein Gas in den Reaktionsraum, hierfür Luft, Ar, He und/oder Ne angeordnet. Diese Gase werden insbesondere als Atmosphäre im Reaktionsraum während eines Startprozesses, also beim Zünden des Plasmas 180 eingesetzt.
  • Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 200 zur plasmainduzierten Spaltung von Wasser gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Die Vorrichtung 200 entspricht zu großen Teilen der Vorrichtung 100 aus Fig. 1, weshalb nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden, im Übrigen wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen. Die Vorrichtung 200 weist eine Zuführung 211 für Kohlenstoffdioxid CO2 auf. Über die Einleitung von Kohlenstoffdioxid in den Reaktionsraum wird dieses als Reaktionspartner für Wasserstoff zur Verfügung gestellt und es entsteht neben Wasserstoff und Sauerstoff als Syntheseprodukt auch Methan. Daher ist in der gemeinsamen Abgasleitung 160, die hier auch zum Führen von Methan neben Wasserstoff und Sauerstoff ausgebildet ist, eine zusätzliche Membran 171 angeordnet, über die Methan aus dem Gasgemisch abgetrennt wird, bevor die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt.
    • Bezuqszeichenliste:
    • 100,200
    Vorrichtung
    110
    Reaktionsraum
    111
    Zuführung für mindestens ein Gas
    115
    Zuführung für Wasserdampf
    120
    Plasmaelektrode
    130
    Wasserreservoir
    131
    Füllhöhe
    140
    Anpassungsnetzwerk
    150
    Hochfrequenzgerator
    160
    Abgasleitung
    170
    Membran
    171
    zusätzliche Membran
    180
    Plasma
    211
    Zuführung für Kohlenstoffdioxid CO2

Claims (15)

  1. Verfahren zur plasmainduzierten Spaltung von Wasser umfassend die Schritte:
    - Bereitstellen von Wasser mit einer vorbestimmten Füllhöhe in einem ungeerdeten Wasserreservoir innerhalb eines Reaktionsraumes;
    - Beaufschlagen genau einer in einem vorbestimmten Abstand über der Füllhöhe des Wasserreservoirs angeordneten flächig ausgebildeten, gekühlten Plasmaelektrode mit einer hochfrequenten Wechselspannung bei Atmosphärendruck, derart, dass sich im Hochfrequenzfeld zwischen der Plasmaelektrode und einer Oberfläche des Wassers ein Plasma ausbildet, in dem Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff dissoziiert;
    - Sammeln des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in einer gemeinsamen Abgasleitung des Reaktionsraumes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Beaufschlagen der Plasmaelektrode mit der hochfrequenten Wechselspannung ein Hochfrequenzgenerator mit einer vorbestimmten Ausgangsimpedanz eingesetzt wird, der mit der Plasmaelektrode über ein Anpassungsnetzwerk zur Impedanzanpassung einer Impedanz des Plasmas und der Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators verbunden ist.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem dem Wasserreservoir kontinuierlich Wasser über eine Einleitung von Wasserdampf oder verdüstem Wasser in den Reaktionsraum zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Plasmaelektrode mit einem Dielektrikum beschichtet ist und das Plasma als Barrierenentladung ausgebildet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Atmosphäre im Reaktionsraum Luft, Ar, He, oder Ne im Rahmen eines Startprozesses eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Atmosphäre im Reaktionsraum während der Dissoziationsreaktion CO2 oder N2 eingesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend:
    - Trennen von Wasserstoff und Sauerstoff über eine Membran oder ein selektives Adsorptionsverfahren.
  8. Vorrichtung zur plasmainduzierten Spaltung von Wasser umfassend:
    in einem Reaktionsraum
    - ein ungeerdetes nach oben offenes Wasserreservoir;
    - genau eine flächig ausgebildete, gekühlte Plasmaelektrode, die in einem vorbestimmten Abstand über einer Füllhöhe des Wasserreservoirs angeordnet ist, wobei am Reaktionsraum eine gemeinsame Abgasleitung für Wasserstoff und Sauerstoff angeordnet ist, und außerhalb des Reaktionsraumes
    - einen Hochfrequenzgenerator mit vorbestimmter Ausgangsimpedanz, der mit der Plasmaelektrode über ein Anpassungsnetzwerk zur Impedanzanpassung einer Impedanz eines an der Plasmaelektrode entstehenden Plasmas und der Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators 50 Ohm beträgt und/oder eine Ausgangsleistung des Hochfrequenzgenerators zwischen 100 W und 2 kW beträgt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der das Anpassungsnetzwerk mindestens einen motorgesteuerten Kondensator und mindestens eine variable Spule umfasst.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der der Reaktionsraum eine Zuführung für Wasserdampf und/oder verdüstes Wasser zur kontinuierlichen Wasserzuführung in das Wasserreservoir aufweist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der der vorbestimmte Abstand zwischen Plasmaelektrode und Füllhöhe des Wasserreservoirs in einem Bereich von 0,2 bis 2 cm, bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 1 cm liegt.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, die mindestens eine Zuführung für mindestens ein Gas in den Reaktionsraum, insbesondere für Luft, Ar, He, Ne, N2 und/oder CO2 aufweist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der in der gemeinsamen Abgasleitung oder an einem Ende der gemeinsamen Abgasleitung eine Membran zur Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff oder ein Reservoir mit einem Adsorber angeordnet ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei der die Plasmaelektrode mit einem Dielektrikum, insbesondere mit Aluminiumoxid beschichtet ist.
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